高压断路器

高压断路器是电力系统最重要的开关设备，它对维护电力系统的安全、经济和可靠运行起着相当重要的作用。高压断路器一般由触头、灭弧室、绝缘介质、壳体结构和运动机构等五部分组成。它的作用有两个方面：一是控制作用，即根据电力系统运行要求，接通或开断正常工作电路；二是保护作用，当系统发生故障时，能切断短路电流，并且在保护装置的作用下自动跳闸，去除短路故障。

2.2.1 电力系统对高压断路器的要求

（1）工作可靠。断路器应能在规定的运行条件下长期可靠地工作，并能正确地执行分、合闸的命令，顺利完成接通或断开电路的任务。

（2）足够的开断短路电流的能力。断路器断开短路电流时，触头间会产生很大的电弧，因此，断路器必须具有足够强的灭弧能力才能安全、可靠地断开电路，并且还要有足够的热稳定性。

（3）尽可能短的切断时间。在电路发生短路故障时，短路电流对电气设备和电力系统会造成很大危害，所以，断路器应具有尽可能短的切断时间，以减少危害，并有利于电力系统的稳定。

（4）具有自动重合闸特性。由于输电线路的短路故障大多数是瞬时性的，所以采用自动重合闸可以提高电力系统的稳定性和供电可靠性，即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器分闸，切除故障电流，经无电流间隔时间后自动重合闸，恢复供电。如果故障仍然存在，断路器则立刻跳闸，再次切除故障电流。这就要求断路器具有在短时间内接连切除故障电流的能力。

（5）足够的力学强度和良好的稳定性能。正常运行时，断路器应能承受自身重量、风载和各种操作力的作用。系统发生断路故障时，应能承受电动力的作用，以保证具有足够的动稳定性。断路器还应能适应各种工作环境条件的影响，以保证在各种恶劣的气象条件下都能正常工作。

（6）结构简单，价格低廉。在满足安全、可靠要求的同时，还应考虑经济上的合理性。这就要求断路器结构简单、体积小、重量轻、价格合理。

2.2.2 高压断路器的型号、分类和特点

断路器的种类很多，按灭弧介质可分为油断路器（少油和多油）、压缩空气断路器、六氟化硫（SF6）断路器、真空断路器等；按安装场所可分为户内式断路器和户外式断路器。

高压断路器的分类及主要特点如表2.2.1所示。

表2.2.1 高压断路器的分类及主要特点

续表

注：所谓真空，是指绝对压强低于101.3kPa的空间，断路器中要求的真空度为133.3×10－4Pa（即10－4mmHg）以下。

2.2.3 油断路器

它采用绝缘油作为灭弧介质。油断路器又可分为多油式和少油式两类。多油断路器的触头系统安放在装有变压器油的油箱中，油不仅作为灭弧介质，同时作为断路器导电部分之间，以及导电部分与接地的油箱之间的绝缘介质，因而用油量大，耗钢量多。少油断路器中的油仅用做灭弧及触头之间的绝缘介质，而不作为导电体与地之间的绝缘介质，故用油量少、耗钢量少，目前在6～35kV的配电装置中广泛应用。图2.2.1所示的是目前10kV系统中应用得最广的SN10－10的内部结构。由于油断路器相对体积较大，绝缘性能不如真空、SF6气体，目前，油断路器处于逐步被淘汰的过程。

2.2.4 真空断路器

真空断路器是利用真空作为绝缘及熄灭电弧手段的断路器。所谓真空是绝对压强低于101.3kPa的气体稀薄空间。气体稀薄的程度用“真空度”表示。真空度就是气体的绝对压强与大气压强的差值。气体的绝对压强值越低，就是真空度越高。气体间隙的击穿电压随着气体压强的提高而降低，当气体压强高于1.33×10－5Pa以上，击穿强度迅速降低，真空断路器灭弧室内的气体压强不能高于此值。一般在出厂时，其气体压强为1.33×10－5Pa。

真空断路器主要由真空灭弧室，静、动触头，屏蔽罩和玻璃外壳等部件组成。真空断路器中电弧是在触头电极蒸发的金属蒸气中形成的，触头材料及其表面状况对熄弧影响很大。要求使用难以蒸发的良导体作为触头材料，如铜 －铋（Cu－Bi）合金，铜－铋－铈（Cu－Bi－Ce）合金等；同时要求触头表面非常平整，电极表面有微小的突起部分，会引起电场能量集中，使这部分发热而产生金属蒸气，这将不利于电弧的熄灭。

图2.2.1 SN10－10高压少油断路器内部结构

1—铝帽；2—油气分离室；3—上接线端子；4—油标；5—静触头；6—灭弧室拐臂；7—动触头（导电杆）；8—滚动触头；9—下接线端子；10—转轴；11—拐臂；12—基座；13—下支柱瓷瓶；14—上支柱瓷瓶；15—断路弹簧；16—绝缘筒；17—逆止阀；18—绝缘油

真空断路器的特点有：在真空条件下绝缘强度很高，熄弧能力很强；触头开距短（10kV级只有10mm左右），结构轻巧，操作功率小，体积小，重量轻；燃弧时间短，一般只有0.01s，故有半周波断路器之称；熄弧后触头间隙介质绝缘强度恢复快；由于触头在开断电流时烧损轻微，所以机械寿命长（比油断路器的寿命长50～100倍）；维修工作量少，能防火防爆。

图2.2.2 真空断路器的灭弧室结构

1—静触头；2—动触头；3—屏蔽罩；4—波纹管；5—导电杆；6—外壳

真空断路器形如一只大型电子管，所有灭弧零件都封闭在一个绝缘的玻璃外壳内，如图2.2.2所示。动触杆与动触头的封闭靠金属波纹管来实现，波纹管一般由不锈钢制成。在动触头外面四周装有金属屏蔽罩，常用无氧铜制成。屏蔽罩的作用是防止触头间隙燃弧时飞出的电弧生成物（金属蒸气、金属离子、灼热的金属液滴等）玷污玻璃外壳内壁而破坏其绝缘性能。屏蔽罩固定在玻璃外壳的腰部，燃弧时，屏蔽罩吸收的热量容易通过传导的方式散去，有利于提高开断能力。

真空断路器具有体积小、重量轻、噪声小、易安装、不需检修（灭弧室）、维护方便、不会引起火灾和爆炸危险等优点，尤其适用于操作频繁的场合。但真空断路器开断电感性负荷（如电动机、空载变压器等）时，会出现截流现象和截流过电压。

真空断路器的灭弧室是不可拆卸的整体，不能更换其中的任何零件，当真空度降低或不能使用时，只能更换真空灭弧室。

2.2.5 SF6高压断路器

SF6（六氟化硫）断路器利用SF6做灭弧介质和绝缘介质，是一种新型断路器。SF6是一种化学性能非常稳定的惰性气体，在常态下无色、无臭、无毒、不燃，无老化现象，具有良好的绝缘性能和灭弧性能。SF6呈很强的电负性，对电子有亲和力，具有俘获电子的能力，形成活动性较低的负离子，使正、负离子复合的可能性大大增加。因此，当压强在100kPa下，SF6的绝缘功能超过空气的2倍，当压强约为300kPa时，其绝缘能力与变压器油相等。SF6在电流过零后，介质绝缘强度恢复很快，其恢复时间常数只有空气的1％，即其灭弧能力比空气高100倍。

SF6断路器的灭弧方式有两种：一种是利用气体压力，它有两个系统，即高压系统和低压系统，利用动触头开断时，它们之间的压力差形成气流来吹灭电弧；另一种是利用动触头开断时带动压气活塞将灭弧室内局部气体压力提高，经过喷嘴喷向电弧，以达到灭弧的目的。

图2.2.3 SF6断路器的灭弧室结构

1—静触头；2—动触头；3—屏蔽罩；4—波纹管；5—导电杆；6—外壳

SF6断路器压气式的灭弧室如图2.2.3所示，灭弧室的可动部分由动触头、喷嘴和压气室组成。分断时，压气室内气体受活塞作用被压缩，气压升高。主动静触头分离后，弧动、静触头接着分离，产生电弧，同时高压气流通过喷嘴强烈吹弧，使电弧熄灭。其特点是：触头在分断过程中开距不断增大，最终的开距比较大，故断口电压可以做得较高，初始介质强度恢复速度较快，喷嘴与触头分开，喷嘴的形状不受限制，可以设计得比较合理，有利于改善吹弧的效果，提高开断能力。但绝缘喷嘴易被电弧烧损。

SF6断路器每次开断后触头烧损很轻微，不仅适用于频繁操作，同时延长了检修周期。由于SF6气体具有上述优点，所以SF6断路器发展迅速，在高压和超高压系统中应用广泛。